CRTSⅠ型轨道板中部砂浆离缝对轨道竖向变形与受力研究

2013-01-17杨俊斌刘学毅

铁道标准设计 2013年6期

杨俊斌,刘学毅,梁东,代丰

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室,成都 610031)

CRTSⅠ型无砟轨道因其结构简单、施工方便、维修便易等特点[1]，在我国多条客运专线均有较长里程的铺设。在实际使用过程中，由于CA砂浆材料自身性质、自然环境的影响、温度梯度引起的轨道板的翘曲以及列车荷载的共同作用[2]，轨道板与CA砂浆层接触面局部区域出现了分离现象，即离缝。

离缝是无砟轨道特有的结构不平顺，由于我国CRTSⅠ型无砟轨道投入运营时间较短，因此，目前关于列车动荷载作用下离缝的发展规律以及离缝对轨道结构的耐久性及稳定性的影响程度等问题均未有较明确的认识。本文以轨道板中部与CA砂浆层间的离缝现象为研究内容，以离缝不同长度及高度的组合表示离缝的不同发展阶段，分析了离缝对轨道结构的竖向位移及受力影响，可为以后更深入的了解这一现象对轨道结构以及列车运行的不良影响提供一定的理论参考。

1 分析模型的建立

1.1 CRTSⅠ型板式轨道模型

采用有限单元法，建立了如图1所示的包括钢轨—扣件系统—轨道板—CA砂浆层—混凝土底座等主要结构的CRTSⅠ型板式无砟轨道弹性地基梁-板模型。

图1 CRTSⅠ型板式无砟轨道弹性地基梁-板模型

在建立的弹性地基梁-板模型中，钢轨采用CHN60轨，弹性模量取为2.1×1011Pa，泊松比取为0.3，用空间梁单元模拟。扣件系统采用线性弹簧单元模拟，竖向支承刚度取为60 kN/mm，阻尼系数取值为60 kN·s/m[3]。轨道板采用空间板单元模拟，长、宽、高分别为4.9、2.4、0.19 m，混凝土强度等级为C50，弹性模量取3.5×1010Pa，泊松比为0.2。CA砂浆层在非离缝区域采用线性弹簧单元模拟，离缝区域采用非线性弹簧单元模拟，且定义为仅受压弹簧单元，离缝效果通过定义非线性弹簧单元的力-位移曲线来实现[4]，图2为离缝高度为2.5 mm时，离缝区非线性弹簧的力-位移曲线图。CA砂浆层厚0.05 m，弹性模量取为300 MPa。混凝土支承层采用空间板单元模拟，宽、厚分别为2.4、0.2 m，弹性模量取为3.0×1010Pa，泊松比为0.2。

图2 非线性弹簧单元的力-位移曲线图示

1.2 车辆动荷载

一般情况下，在进行轨道结构动力学分析时都建立列车-线路耦合动力学模型。建立列车模型主要以获得轮轨垂向力为目的，同时可计算列车的振动加速度和轮重减载率等指标。由于轨道板下离缝一般仅有2～3 mm高(过高的离缝会及时得到修复)，且离缝区域范围有限(一般仅为单一轨道板底出现80～120 cm长度)，所以，列车动荷载作用下，离缝现象对列车平稳性及舒适性的不良影响有限，但却会使离缝位置轨道板出现应力集中，加剧轨道板及CA砂浆的破坏。基于以上原因，由于本文只分析离缝对轨道结构的受力及变形影响，因此，将钢轨上承受的列车动荷载用图3所示的列车荷载时程曲线来表示[5]，该曲线对应的列车时速为350 km。

图3 列车荷载时程曲线

2 轨道性能评价指标的确定

选用扣件上拔力及轨道板拉应力这2个参数作为离缝对轨道结构性能影响的评价指标。扣件上拔力是钢轨产生向上的挠曲位移时，扣件系统的扣压件受到的向上作用力。扣件上拔力是扣件系统设计的重要参数，在保证列车运行时钢轨的稳定性方面起着重要作用[8]。参考VOSSLOH300扣件的上拔力容许值，本文扣件上拔力的容许值取为18 kN[9]。无砟轨道板拉应力容许值按照现行混凝土设计规范中的公式[σcr]=rft确定。式中：r为混凝土构件的截面抵抗矩塑性影响系数；ft为混凝土静载作用下的轴心抗拉强度。本文中[σcr]取为4.418 MPa[10]。

3 计算工况的确定

在调查中发现，轨道板与CA砂浆层间的离缝高度一般仅有2～3 mm，离缝长度一般在2个扣件间距内。因此，离缝长度从0.2～1.2 m，按照0.2 m的增幅分为6种工况，其中，0.6 m及1.2 m的工况代表离缝长度为1、2个扣件间距(本文弹性地基梁-板模型中扣件间距为0.63 m)；离缝高度从0.5～2.5 mm，按照0.5 mm的增幅分为5种工况，将确定的离缝长度及高度工况进行组合后，共计30种工况。

4 计算结果分析

4.1 离缝长度≤1个扣件间距

从表1可知，板中离缝长度≤1个扣件间距时，长度一定，离缝高度从0.5 mm增加到2.5 mm时，钢轨、扣件及轨道板的竖向变形及受力几乎没有变化。高度一定，离缝长度从0.2 m增加到0.6 m时，钢轨、扣件及轨道板的竖向变形及受力均有所增加。说明离缝长度的变化对轨道结构的影响较高度的变化要大。

表1 不同离缝高度及长度条件下轨道结构主要参数计算结果(离缝长度≤1个扣件间距)

板中离缝长度≤1个扣件间距时，表2中的15种工况的扣件上拔力及轨道板拉应力均没有超过限值标准。扣件的上拔力最大值为6.024 kN，该值与18 kN的限值标准差距较大，轨道板的最大拉应力为3.88 MPa，该值与4.418 MPa的限值标准已经比较接近，说明在这15种工况中，离缝高度及长度的变化对扣件的正常使用不会有太大影响；轨道板的纵、横向拉应力值虽然增幅不大，但已接近限值标准，若离缝长度及高度再有所增加，则轨道板的纵、横向拉应力值将先后超过限值，使得轨道板表面出现开裂。

4.2 离缝长度>1个扣件间距

从表2中可知，离缝长度不大于1.0 m时，离缝高度的变化对钢轨、扣件、轨道板的竖向位移及受力几乎没有影响。

当离缝长度>1.0 m后，以高度1.0、1.5 mm为界，除轨道板纵向拉应力外，其余计算参数的变化都保持同一规律，即高度<1.0 mm时，钢轨、扣件、轨道板的竖向位移及拉应力均随离缝高度的增加而增加，离缝高度大于1.0 mm小于1.5 mm时，钢轨、扣件、轨道板的竖向位移及应力均随高度的增加而减小；当离缝高度>1.5 mm后，钢轨、扣件、轨道板的竖向位移及拉应力与高度为1.5 mm时的计算值保持一致。产生这一结果的原因是当离缝长度由1.0 m增大到1.2 m后，离缝区域轨道板板底与CA砂浆的接触形式发生了变化。图4、图5分别为板中离缝长度为1.0、1.2 m时，不同高度条件下，轨道板沿长度方向上的竖向变形情况。从图4可知，5种离缝高度条件下，板中竖向最大位移均为0.42 mm，说明列车荷载作用下，轨道板中部底面未与CA砂浆层接触，离缝区域轨道板底面处于完全悬空状态(从表2、表3板中下沉位移数据可知，当离缝长度≤1.0 m时，板中底面均处于完全悬空状态)。而从图5可知，离缝长度等于1.2 m时，当高度等于0.5、1.0 mm时，板中下沉位移分别为0.58、1.2 mm，说明这两种工况下，列车荷载作用下，离缝区域轨道板底部与CA砂浆层接触。当离缝高度>1.5 mm后，板中下沉位移保持1.3 mm不变，说明离缝区域轨道板底在离缝高度>1.3 mm后处于完全悬空状态。